土石坝加高加固防渗措施及边坡稳定的分析研究

翁湛

(浙江省水利河口研究院，浙江 杭州310020)

摘要：在土石坝加高加固过程中，必须对坝体渗流和渗流作用下边坡稳定进行分析，确保加高加固阶段和蓄水运行过程中的坝体安全.根据有限单元法基本原理和渗流基本理论，对土石坝加高加固稳定和非稳定渗流问题的利用有限单元法程序进行了实例分析.

关键词：土石坝；加高加固；渗流；防渗措施；边坡稳定

中图分类号：TV697.2文献标志码：A

收稿日期：2015-03-16

作者简介：翁湛(1982-)，男，浙江衢州人，工程师，工程硕士，从事水利设计工作.

Study on the Anti-seepagemeasures and Slope Stability During the

Heightening and Strengthening of Earth-fock Fill Dams

WENG Zhan

(Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary,Hangzhou 310020 China)

Abstract:Therefore, during the heightening and reinforcement of earth-rock fill dams, the seepage and slope stability under seepage must be studied to ensure the safety of the dams in the process of construction and water impoundment. In this paper, the finite element method program for steady and unsteady flow problem was studied, based on the finite element method and the seepage theory.

Key words:earth-rock fill dam; heightening and consolidation; seepage; anti-seepage measures; slope stability

0引言

土石坝是利用坝址附近的土石料填筑(碾压或夯实)而成的挡水建筑物.土石坝以其经济性和适应各种地形地质条件的优势，居于各类坝型的首位.

由于土石坝坝顶不允许过流，因此土石坝的应用也有一定的局限性，必须修建溢洪道来泄流.此外，由于土石料具有渗透性，所以渗流问题是土石坝安全的关键.土石坝渗流一方面造成水量损失，另一方面产生渗透作用力及引起土体材料强度降低，进而导致滑坡，使大坝丧失稳定.在我国，已建成的八万多座大坝中，土石坝占据很大的比例，因此，土石坝渗流研究在我国还有很大发展空间.

渗流分析方法很多，归纳起来可分为三大类：理论分析方法、图解法和试验分析方法.理论分析方法又可分为解析法和数值法.其中数值解法主要包括有限单元法(FEM)、有限差分法(FDM)、边界元法(BEM)、离散元(DEM)等等.在渗流场求解的数值方法中，有限单元法和有限差分法最为普及.

本文根据有限单元法基本原理和渗流基本理论，对土石坝加高加固稳定和非稳定渗流问题的利用有限单元法程序进行了实例分析.

1有限单元法基本理论

有限单元法区别于传统的加权余量法和求解泛函的驻值问题的变分法，该法不是在整个求解域上假设近似函数，而是在各个单元上分片假设近似函数.这样就克服了在全域上假设近似函数所遇到的困难.

对于渗流问题，有限单元法最终将微分方程转化为求解渗流场中水头函数h的方程组，其形式一般为[K]{h}={f}，式中[K]为渗透矩阵；{h}为未知水头列向量；{f}为已知水头结点贡献列向量.渗流有限单元方法的实施步骤(见图1).

图1　渗流有限单元方法实施步骤

2土石坝加高加固实例分析

本次分析不考虑绕渗和沿坝轴线方向渗流，则三维渗流场可简化为二维渗流场进行分析.基于Geo-studio SEEP和SLOPE/W模块对某水库大坝加高加固后坝体进行渗流和边坡稳定分析，计算时分别对正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位和校核洪水位骤降等工况进行渗流稳定分析，以获得加高加固后坝体渗流特性，包括整体渗流场的状态、水头、渗透梯度等值线分布以及渗漏量，在上述渗流场计算结果的基础上，对大坝上下游坡进行稳定分析，评价加高后水库大坝防渗效果进行优化建议.

2.1工程概况

某均质土坝坝顶高程83.9 m，最大坝高23.3 m，坝顶宽度4.0～5.0 m.上游坝坡自上而下坡比分别为1∶2.0、1∶3.5，下游坝坡自上而下坡比分别为1∶1.5、1∶2.0.下游坡为草皮护坡，坝脚设有褥垫式排水.除险加固前水库存在的主要问题有：土坝现状坝顶高程不满足防洪要求，土坝坝体及坝基渗透系数偏大；坝体外约5.0 m处沿坝脚渗漏，渗流量与库水位相关，坝基与坝体接触带存在渗流隐患；溢流坝坝体渗漏量大.

除险加固措施主要包括：(1)坝顶在上游面加高培厚，上游侧采用土工膜上压混凝土预制块护坡作为坝体防渗设施，下游侧修整坝坡重植草皮护坡，并设干砌块石贴破排水.(2)考虑到坝基覆盖层渗流量较大，在坝踵进行帷幕灌浆.(3)对溢流坝坝体进行帷幕灌浆处理.

2.2渗流稳定分析

2.2.1计算工况和材料参数

大坝加高后渗流场计算所采取的各种材料的渗透系数参照地质勘探资料(见表1).

表1　大坝加高加固材料渗透系数

渗流分析主要是对不同加固情况下坝体正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位和校核洪水位骤降等工况进行对比分析，选取最优工况，具体计算工况(见表2).

表2　渗流计算工况

上游水位取为加高后的正常蓄水位80.12 m、设计洪水位82.05 m或校核洪水位84.36 m，高于河或库水位的地方为渗流可能逸出面；在坝轴线下游侧，同样低于下游水位的地方为已知水头边界条件，下游水位取为加高后的下游水位54.01 m、下游设计洪水位54.88 m或校核洪水位57.72 mm，高于下游水位的地方均为可能渗流逸出面.

2.2.2渗流稳定分析

渗控设计的主要目的：一是控制防渗措施下游的剩余水头，降低下游坝体及两岸坡上的渗流逸出线高度，增强下游坝坡或岸坡的稳定性；二是控制渗流梯度，避免渗透变形破坏，确保坝体、坝基和坝肩等渗流稳定性；三是控制流量，使流量损失最小或在允许范围内；四是控制坝体和坝基各种渗流力，改善坝体和坝基的变形和应力条件.

基于Geo-studio SEEP模块，对土坝进行渗流稳定分析，各工况下坝体内部等势线(见图1～图4).从下面各表、图中可以看出加高加固后后坝体渗流场水头分布规律合理，水头等值线形态、走向和密集程度都较准确地反映了相应区域防渗或排水渗控措施的特点、渗流特性和边界条件，计算域内的主要防渗和排水措施同样得到了细致的模拟，渗控效果也及时得到了正确反映.

图1　正常蓄水位坝体水头等势线图

图2　设计洪水位坝体水头等势线图

图3　正常蓄水位坝体水头等势线图

图4　设计洪水位坝体水头等势线图

(1)加高加固后，坝体和坝基渗流在现行防渗设计条件下基本得到控制.

(2)在上游面设置复合土工膜防渗面板并在坝踵部位进行帷幕灌浆后，防渗面板与坝踵帷幕形成一个复合防渗体，有效截断了坝体和坝基渗流.渗透坡降随着消减水头虽然增大，但由于上游面加厚，坝体渗径增大，因此土坝中的渗透坡降增大幅度较小.坝体下游坝面附近，出逸点部位坡降增大，考虑到下游贴坡排水体设置有反滤层，出逸点部位渗流稳定.

表3　坝区不同部位的最大渗透坡降

(3)非稳定渗流分析主要对库水位骤降情况进行计算，由于上游坝面有防渗面板作用，坝体水头较库水位有明显削减，遭遇库水位骤降时，未出现高于浸润线高于库水位的情况.由于原坝体土渗透系数较大，坝踵未布置防渗帷幕时，坝体上游水头与库水位基本一致；在坝踵布置防渗帷幕后，上游坝体水头较库水位有所削减，值较水位骤降前有所减小.

(4)对坝体进行加高加固后，坝体和坝基渗流量得到有效控制.不同防渗加固情况下，坝体和坝基渗流量(见表4).

表4　坝体和坝基单宽渗流量

2.2.3结论

在上游面设置复合土工膜等防渗面板后，结合坝踵部位防渗帷幕，坝体防渗效果明显增强，同时通过在出逸点处设置了贴坡排水以及土工膜，可缓解出逸点部位的冲刷.

2.3边坡稳定分析

工程等别为Ⅲ等，永久性水工建筑物级别为3级.坝坡抗滑稳定计算采用简化毕肖普法.根据规范要求，坝坡抗滑稳定的安全系数在正常运用条件下应不小于1.30，非常运用条件下应不小于1.20.

2.3.1计算工况和材料参数

主要土层物理力学性指标依据本次地质报告中建议数据进行选取(见表5).

表5　抗滑稳定计算各土层选用计算参数表

2.3.2边坡稳定分析

根据规范，基于SLOPE/W模块采用计及条块间作用力的简化毕肖普法对稳定和非稳定渗流状况下坝体上下游坝坡进行稳定分析.上游防渗面板结合坝踵帷幕时，坝体上、下游坝坡抗滑稳定计算结果(见表6)和(见图5～图8).

表6　大坝上、下游坝坡抗滑稳定安全系数

图5　正常蓄水位下游坝坡滑动面

图6　设计洪水位下游坝坡滑动面

图7　校核洪水位下游坝坡滑动面

图8　校核洪水位骤降上游坝坡滑动面

2.3.3结论和建议

(1)加固加高后，在坝体上游防渗面板结合坝踵帷幕时，各工况坝体上游坝坡、下游坝坡抗滑稳定满足要求.

(2)在坝踵处进行防渗帷幕灌浆，在防渗面板和坝踵帷幕体共同作用下，坝体上游削减水头效果明显，校核洪水位骤降对坝体浸润线影响较小，骤降后期上游坝坡最小抗滑稳定系数相对较大.

3结语

本文在对渗流作用下坝体边坡稳定分析方法进行阐述.基于Geo-studio SEEP模块对土石坝稳定渗流情况进行分析，然后在渗流计算成果基础上用SLOPE/W模块进行边坡稳定分析.通过理论研究和工程实例分析：对不同防渗布置方案下坝体内部水头等值线分布、水力坡降和渗流量进行对比分析，论述方案的可行性；基于渗流分析结果，对稳定和非稳定渗流作用下，坝体上游和下游坝坡进行抗滑稳定分析.

由于土石坝渗流和稳定课题的复杂性，本文仅对土石坝二维稳定和非稳定渗流场进行了模拟，对于三维渗流未进行深入研究.

参考文献：

[1]徐芝纶.弹性力学[M].上册.北京:高等教育出版社,1994.

[2]朱伯芳.有限元原理及其应用[M].北京.中国水利水电出版社,1998.

[3]陈祖煌.土质边坡稳定分析——原理、方法、程序[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

[4]陈振民.SLOPE/W软件总应力法和有效应力法的应用[J].水运工程,2009(7):107-117.

[5]沈扬,张朋举,闫俊.圆弧滑动法中总应力法和有效应力法适用性辨析[J].河海大学学报:自然科学版,2011,39(5):517-522.

[6]陈立宏,李广信.关于“渗流作用下土坡圆弧滑动有限元计算”的讨论——兼论边坡稳定分析中的渗流力[J].岩土工程学报,2002(3):396-397.

[7]毛昶熙,李吉庆,段祥宝.渗流作用下土坡圆弧滑动有限元计算[J].岩土工程学报,2001,23(6):746-752.